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K8S Calico BGP 实现和路由设计

隔离在家快一个月，终于想起来把拖了一年的K8S整理下来。从Calico 开始，梳理一下容器网络解决方案。

本文以kubeadm容器化部署k8s管理平台，使用官网yaml文件一键容器化部署Calico，主要介绍Calico BGP模式的基础配置方法和几种实用的内外部BGP网络设计。

一、容器的网络逻辑

K8S中最小的管理单元叫Pod，一般来说一个Pod中只运行一个容器。物理机/宿主机被称为Node，Pod本质上就是Node操作系统中运行的一个或多个进程，这些进程可以是mysql、nginx或者K8S的某个数据库。

为了方便本文会混用Pod、容器和Host、宿主机等名词。


使用docker run命令创建并进入一个busybox容器：

root@e564:~# docker run -it --name my-busybox1 busybox  /bin/sh
/ # 
/ # ip add 
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue qlen 1000
    link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
    inet 127.0.0.1/8 scope host lo
       valid_lft forever preferred_lft forever
207: eth0@if208: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP,M-DOWN> mtu 1500 qdisc noqueue 
    link/ether 02:42:c0:a8:a9:04 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
    inet 172.17.0.4/16 brd 192.168.169.255 scope global eth0
       valid_lft forever preferred_lft forever

此时在宿主机上使用route命令查看路由表，可以看到容器网络路由，出接口为docker0：

# route -n 
Kernel IP routing table
Destination     Gateway         Genmask         Flags Metric Ref    Use Iface
0.0.0.0         10.1.253.1      0.0.0.0         UG    0      0        0 mybr0
172.17.0.0      0.0.0.0         255.255.0.0     U     0      0        0 docker0

在逻辑上，docker0网卡就相当于一个loopback接口，在PC(10.1.253.100)上手动配置一条指向容器网络(172.17.0.0/16) 下一跳为宿主机(10.1.253.101)后，PC就可以访问容器了：

K8S Calico BGP 实现和路由设计


上图逻辑是不是很熟悉？当部署大量Host时，我们只需要为每个Host规划特定的IP Pool，在物理网络上针对不同的Host写不同的路由就可以实现外部网络访问容器了，不同Host间也可以互相配置静态路由实现不同Host内容器的互访！

但是当Host数量增加到一定程度时，手写静态路由就会变成极大的负担，因此K8S 适配了很多容器间网络的解决方案，其中Calico的BGP模式就是最适适合大规模、高扩展容器网络的解决方案。

二、Calico

Calico有两种基本的容器间互通方案：Overlay 和Underlay

默认使用IPinIP的Oerlay解决方案，即将Pod间的IP数据包封装在外层IP头中。内层IP为Pod IP，外层IP为Host 物理网络IP。

该方案最简单也最不灵活，开箱即用，只适合小规模网络。部署时要主要Pod MTU会自动减去20字节的外层IP头部。

第二种方案即是使用BGP 实现Underlay互通。

本文使用容器化部署的Calico Pod实现BGP功能，即在集群内每个Host上运行一个Calico Pod，多个Host间利用Calico建立BGP邻居关系。互相通告本地Pod的网络并将学习到的路由下发到Host 本地路由中，同时Calico还可以与外部交换机建立BGP邻居，互相通告路由，完美实现了集群内外的互访需求。


部署Calico

  • NetworkManager 脱管

    vim /etc/NetworkManager/conf.d/calico.conf
    [keyfile]
    unmanaged-devices=interface-name:cali*;interface-name:tunl*

  • 下载：wget https://docs.projectcalico.org/manifests/calico.yaml

    该文件默认部署Calico IPIP模式，将IPIP模式置为false 或者never即启用BGP模式

    # Enable IPIP
    - name: CALICO_IPV4POOL_IPIP
      value: "Never"     # 关闭IPIP以使用BGP
      #value: "Always"

  • 定义BGP监听的接口（支持简单通配符）

    定义IP_AUTODETECTION_METHOD 参数，匹配特定interface

    #     IP automatic detection
    - name: IP_AUTODETECTION_METHOD
      value: "interface=en.*"

  • 利用K8S管理工具一键部署

    # kubectl apply -f calico.yaml
    configmap/calico-config created
    .
    .
    .
    deployment.apps/calico-kube-controllers created
    serviceaccount/calico-kube-controllers created
    poddisruptionbudget.policy/calico-kube-controllers created

在Calico 完全配置之前，如果想要看到BGP Peer会话，需要在Node上手动放行TCP 179端口：

iptables -I INPUT -p tcp --dport=179 -j ACCEPT

部署Catlicoctl工具

Calicoctl是Calico官方发布的管理工具，本质上是从K8S集群数据库中读取、写入Calioco信息。该工具有两种访问方式：直接访问etcd数据库或这访问K8S Api。

本文使用后者：

  • 下载calicoctl：

    curl -L https://github.com/projectcalico/calico/releases/download/v3.22.1/calicoctl-linux-amd64 -o /usr/local/bin/calicoctl
    chmod +x /usr/local/bin/calicoctl

  • 创建并编辑默认配置文件

    vim /etc/calico/calicoctl.cfg
    vim /etc/calico/calicoctl.cfg
    apiVersion: projectcalico.org/v3
    kind: CalicoAPIConfig
    metadata:
    spec:
      datastoreType: "kubernetes"
      kubeconfig: "<用户家目录>.kube/config"

  • 验证

    # sudo calicoctl node status
    Calico process is running.
    IPv4 BGP status
    +--------------+---------------+-------+----------+-------------+
    | PEER ADDRESS |   PEER TYPE   | STATE |  SINCE   |    INFO     |
    +--------------+---------------+-------+----------+-------------+
    | 10.1.253.235 | node specific | up    | 08:42:52 | Established |
    | 10.1.253.236 | node specific | up    | 08:42:52 | Established |
    | 10.1.253.128 | node specific | up    | 09:00:23 | Established |
    +--------------+---------------+-------+----------+-------------+

三、BGP的基本配置

与K8S一样，Calico使用yaml或者json文件配置BGP，不同“Kind”的配置不能共用同一个yaml文件。

Calico常用配置

  • kind: BGPConfiguration

    用于配置集群全局AsNumber、开启关闭全互联、指定通告特殊网络等

    apiVersion: projectcalico.org/v3
    kind: BGPConfiguration
    metadata:
      name: default
    spec:
      logSeverityScreen: Info
      nodeToNodeMeshEnabled: false
      asNumber: 65111
      serviceClusterIPs: 
      - cidr: 10.96.0.0/16

  • kind: BGPPeer

    用于配置集群内部、外部邻居关系。使用nodeSelector指定A端BGP Speaker，使用peerSelector指定Z端Speaker：

    kind: BGPPeer
    apiVersion: projectcalico.org/v3
    metadata:
      name: client-rr
    spec:
      nodeSelector: all()
      peerSelector: label-bgp-rr == 'true'

  • kind: Node

    用于配置单个宿主机的BGP参数，例如配置RR Cluster-ID

    apiVersion: projectcalico.org/v3
    kind: Node
    metadata:
      labels:
        label-bgp-rr: "true"
      name: worknode.homelab.local
    spec:
      addresses:
      - address: 10.1.253.13/24
        type: CalicoNodeIP
      - address: 10.1.253.13
        type: InternalIP
      bgp:
        ipv4Address: 10.1.253.13/24
        routeReflectorClusterID: 100.64.0.13
        asNumber: 65111
      orchRefs:
      - nodeName: worknode.homelab.local
        orchestrator: k8s


四、BGP网络设计

K8S 默认开启全互联(nodeToNodeMeshEnabled: true)，全互联需要所有Calico BGP Speaker 间两两建立并维护BGP邻居关系，当集群扩展到较大规模时，需要配置RR 减少BGP Peer数量，降低开销。

如图所式，Mesh全互联时所有Calico Node间都要建立BGP邻居关系


K8S Calico BGP 实现和路由设计



配置Node仅与RR 建立邻居关系，当节点规模扩大后将有效减少BGP 会话消息占用的开销：

K8S Calico BGP 实现和路由设计


以配置BGP 反射器为例，需要先为特定Node 打上lebel，之后选定所有其他Node与具有该Label的Node建立BGP邻居：

  • 为node打自定义label：

    kubectl label node <RR_node_name> label-bgp-rr=true

  • 修改kind: BGPPeer 文件，定义邻居关系：

    # vim bgp_peer_conf.yaml
    kind: BGPPeer
    apiVersion: projectcalico.org/v3
    metadata:
      name: peer-with-route-reflectors
    spec:
      nodeSelector: all()      # 指定所有Node
      peerSelector: label-bgp-rr == 'true'  # 与携带label-bgp-rr的Node建立邻居

  • 为RR 配置Cluster-ID（可选）

    apiVersion: projectcalico.org/v3
    kind: Node
    metadata:
      labels:
        label-bgp-rr: "true"
      name: worknode.homelab.local
    spec:
      addresses:
      - address: 10.1.253.13/24
        type: CalicoNodeIP
      - address: 10.1.253.13
        type: InternalIP
      bgp:
        ipv4Address: 10.1.253.13/24
        routeReflectorClusterID: 100.64.0.13
        asNumber: 65111

  • 关闭Mesh全互联（如果未关闭）

    apiVersion: projectcalico.org/v3
    kind: BGPConfiguration
    metadata:
      name: default
    spec:
      nodeToNodeMeshEnabled: false

  • 应用配置

    calicoctl apply -f bgp_peer_conf.yaml
    calicoctl apply -f bgp_node_conf.yaml
    calicoctl apply -f bgp_global_conf.yaml


检查Peer状态：

RR)# calicoctl node status  
+--------------+---------------+-------+----------+-------------+
| PEER ADDRESS |   PEER TYPE   | STATE |  SINCE   |    INFO     |
+--------------+---------------+-------+----------+-------------+
| 10.1.253.235 | node specific | up    | 10:50:30 | Established |
| 10.1.253.236 | node specific | up    | 10:50:30 | Established |
+--------------+---------------+-------+----------+-------------+


Calico还支持以peerIP的形式指定外部BGP Peer，可以指定外部RR进一步节省Calico集群开销：

  • 配置外部peerID和ASN

    kind: BGPPeer
    apiVersion: projectcalico.org/v3
    metadata:
      name: rr-tor
    spec:
      nodeSelector: label-bgp-rr == 'true'
      peerIP: 10.1.253.128
      asNumber: 65111

  • 应用配置

    calicoctl apply -f bgp_peer_conf.yaml


检查邻居关系：

RR)# calicoctl node status  
IPv4 BGP status
+--------------+---------------+-------+----------+-------------+
| PEER ADDRESS |   PEER TYPE   | STATE |  SINCE   |    INFO     |
+--------------+---------------+-------+----------+-------------+
| 10.1.253.128 | node specific | up    | 09:00:22 | Established |
+--------------+---------------+-------+----------+-------------+


假如K8S环境存在整体升级、搬迁等需求，则应该考虑Calico集群与外部BGP交换机松耦合，即保证当外部路由器或三层交换机宕机或者下架时，集群应保证内部通信。此时可以选择内部RR加外部iBGP邻居结合的混合部署方案：



  • 定义第一个BGPPeer文件，配置所有Calico Node与Calico RR建立邻居：

    kind: BGPPeer
    apiVersion: projectcalico.org/v3
    metadata:
      name: client-rr
    spec:
      nodeSelector: all()
      peerSelector: label-bgp-rr == 'true'

  • 定义第二个BGPPeer文件，配置RR Node与外部peerIP建立邻居：

    kind: BGPPeer
    apiVersion: projectcalico.org/v3
    metadata:
      name: rr-tor
    spec:
      nodeSelector: label-bgp-rr == 'true'
      peerIP: 10.1.253.128
      asNumber: 65111

  • 关闭Mesh全互联(如果未关闭)

  • 应用配置文件：

    calicoctl apply -f bgp_peer_conf.yaml
    calicoctl apply -f bgp_peer-with-tor_conf.yaml
    calicoctl apply -f bgp_global_conf.yaml



此时查看邻居关系可以看到所有其他Node仅与Calico RR建立Peer：

[root@node-236 ~]# calicoctl node status
Calico process is running.
IPv4 BGP status
+--------------+---------------+-------+----------+-------------+
| PEER ADDRESS |   PEER TYPE   | STATE |  SINCE   |    INFO     |
+--------------+---------------+-------+----------+-------------+
| 10.1.253.13  | node specific | up    | 08:42:51 | Established |
+--------------+---------------+-------+----------+-------------+

Calico RR Node与其他Node和外部TOR交换机建立Peer

RR)# calicoctl node status
IPv4 BGP status
+--------------+---------------+-------+----------+-------------+
| PEER ADDRESS |   PEER TYPE   | STATE |  SINCE   |    INFO     |
+--------------+---------------+-------+----------+-------------+
| 10.1.253.235 | node specific | up    | 08:42:51 | Established |
| 10.1.253.236 | node specific | up    | 08:42:51 | Established |
| 10.1.253.128 | node specific | up    | 09:00:22 | Established |
+--------------+---------------+-------+----------+-------------+

TOR 交换机配置示例(Cisco NXOS)：

interface Ethernet1/1
  no switchport
  ip address 10.1.253.128/24
  no shutdown
#
router bgp 65111
  router-id 10.1.253.128
  address-family ipv4 unicast
    network 10.114.114.114.114/32
  neighbor 10.1.253.13
    remote-as 65111
    description Calico-BGP-Peer-node13
    address-family ipv4 unicast

查看TOR 路由表。学习到K8S集群的路由(10.244.0.0/16)，下一跳分别为三个Node：

NX-Pub# show ip route bgp 
10.244.109.192/26, ubest/mbest: 1/0
    *via 10.1.253.13, [200/0], 06:38:18, bgp-65111, internal, tag 65111
10.244.210.192/26, ubest/mbest: 1/0
    *via 10.1.253.236, [200/0], 06:38:18, bgp-65111, internal, tag 65111
10.244.214.64/26, ubest/mbest: 1/0
    *via 10.1.253.235, [200/0], 06:38:18, bgp-65111, internal, tag 65111

在Node上查看路由，可以学习到TOR通告的网络(10.114.114.114.114)

# route -n 
Kernel IP routing table
Destination     Gateway         Genmask         Flags Metric Ref    Use Iface
0.0.0.0         10.1.253.1      0.0.0.0         UG    100    0        0 enp0s25
10.1.253.0      0.0.0.0         255.255.255.0   U     100    0        0 enp0s25
10.244.109.192  0.0.0.0         255.255.255.192 U     0      0        0 *
10.244.109.199  0.0.0.0         255.255.255.255 UH    0      0        0 cali716c8c147b6
10.244.109.211  0.0.0.0         255.255.255.255 UH    0      0        0 calidf9444430f4
10.244.109.213  0.0.0.0         255.255.255.255 UH    0      0        0 cali2fc1d82df67
10.244.109.215  0.0.0.0         255.255.255.255 UH    0      0        0 cali765da0572cb
10.244.210.192  10.1.253.236    255.255.255.192 UG    0      0        0 enp0s25
10.244.214.64   10.1.253.235    255.255.255.192 UG    0      0        0 enp0s25
10.114.114.114 10.1.253.128     255.255.255.255 UGH   0      0        0 enp0s25  <======来自外部TOR的路由



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